Шардинг

Что такое шардинг в криптоиндустрии?

Шардинг — это метод масштабирования блокчейна, который делит данные, рабочую нагрузку или состояние сети на меньшие части, называемые шардами.

Каждый шард обрабатывает только часть общей активности сети, что может помочь блокчейну выполнять больше транзакций и обслуживать больше пользователей.

В криптоиндустрии шардинг в основном рассматривается как способ повысить масштабируемость, не заставляя каждую ноду одинаково обрабатывать каждую транзакцию.

Традиционный блокчейн часто требует, чтобы множество нод хранили, валидировали и обновляли один и тот же полный набор данных.

Такая архитектура может быть безопасной и простой для проверки, но также может ограничивать пропускную способность транзакций при росте спроса на сеть.

Шардинг стремится решить эту проблему, позволяя разным группам нод обрабатывать разные части сети.

Цель — сделать блокчейн-системы быстрее, дешевле и эффективнее, сохраняя при этом высокую децентрализацию и безопасность.

Шардинг — не единая функция, работающая одинаково в каждом блокчейне.

Разные протоколы могут использовать шардинг сети, транзакций, состояния, данных или сочетание этих подходов.

В современных криптообсуждениях шардинг часто связывают с масштабированием Ethereum, доступностью данных, роллапами, Proto-Danksharding, Danksharding и другими модульными архитектурами блокчейнов.

Простое определение шардинга

Шардинг — это процесс разделения блокчейна на меньшие секции, чтобы сеть могла параллельно обрабатывать больше работы.

Шард можно понимать как один раздел более крупной системы данных или обработки блокчейна.

Вместо того чтобы каждый валидатор или нода управлял всем, блокчейн с шардингом может назначать различные обязанности разным группам.

Это может снизить нагрузку на каждую ноду и увеличить общую емкость сети.

Проще говоря, шардинг похож на разделение очень большого класса на меньшие группы, чтобы каждая группа быстрее выполнила часть задания.

Сложность заключается в том, чтобы все группы по-прежнему согласовывали общий результат и соблюдали одни правила.

Почему шардинг важен для блокчейна

Шардинг важен, поскольку масштабируемость — одна из крупнейших проблем криптовалюты.

Блокчейн, способный обрабатывать лишь небольшое число транзакций в секунду, может стать медленным и дорогим в периоды высокого спроса.

Когда комиссии растут, а время подтверждения увеличивается, пользователи могут отказаться от децентрализованных приложений или перенести активность в другое место.

Шардинг направлен на увеличение емкости сети, чтобы больше пользователей могли взаимодействовать с кошельками, приложениями децентрализованных финансов, играми, платежными инструментами и токенизированными активами.

Он также поддерживает долгосрочную цель сделать блокчейн-инфраструктуру полезной для глобальных финансовых и цифровых систем.

Однако масштабирование не должно происходить за счет безопасности.

Блокчейн, который станет быстрым, но централизованным, может потерять многие преимущества, делающие публичные криптосети ценными.

Поэтому хороший дизайн шардинга должен балансировать скорость, стоимость, децентрализацию, координацию валидаторов и доступность данных.

Как работает шардинг

Шардинг работает путем разделения рабочей нагрузки блокчейна на меньшие части и распределения этих частей между разными участниками сети.

В базовой архитектуре с шардингом одна группа валидаторов может обрабатывать транзакции одного шарда, а другая — транзакции другого шарда.

Каждый шард может обновлять собственную часть сети, не ожидая завершения всей работы всеми остальными шардами.

Такая параллельная обработка может увеличить общую пропускную способность, поскольку сеть больше не ограничена одним путем выполнения.

Для сохранения связи между шардами обычно требуется координационный уровень.

Этот уровень может помогать назначать валидаторов, записывать результаты шардов, проверять данные, управлять межшардовым обменом сообщениями и защищать сеть от атак.

Без надлежащей координации шарды могут стать изолированными или несогласованными.

Сильная система шардинга должна обеспечивать, чтобы все шарды оставались частью единой защищенной блокчейн-экосистемы.

Основные виды шардинга

Шардинг сети

Шардинг сети делит одноранговую сеть на меньшие группы нод.

Каждая группа может чаще взаимодействовать с нодами, отвечающими за тот же шард.

Это может снизить накладные расходы на коммуникацию, поскольку каждой ноде не нужно отправлять каждое сообщение всем остальным нодам.

Шардинг сети может повысить эффективность, но его необходимо тщательно проектировать, чтобы избежать слабых мест в обнаружении пиров, распространении данных и координации валидаторов.

Шардинг транзакций

Шардинг транзакций распределяет обработку транзакций между разными шардами.

Например, транзакции одной группы аккаунтов могут обрабатываться одним шардом, а транзакции другой группы — другим.

Это может увеличить пропускную способность транзакций, поскольку несколько шардов способны обрабатывать транзакции одновременно.

Сложнее всего обрабатывать транзакции, затрагивающие аккаунты или смарт-контракты в разных шардах.

Такие межшардовые транзакции требуют надежных правил обмена сообщениями и расчетов.

Шардинг состояния

Шардинг состояния делит состояние блокчейна между несколькими шардами.

Состояние включает балансы аккаунтов, хранилище смарт-контрактов, данные приложений и другую информацию, необходимую для понимания текущего состояния блокчейна.

Шардинг состояния может существенно снизить объем данных, который должна хранить каждая нода.

Это также одна из наиболее сложных форм шардинга, поскольку сеть должна безопасно управлять взаимодействиями между состояниями, хранящимися в разных шардах.

Если шардинг состояния спроектирован плохо, пользователи могут столкнуться с задержками, несогласованными результатами или повышенными рисками безопасности при взаимодействии между шардами.

Шардинг данных

Шардинг данных сосредоточен на разделении обязанностей по обеспечению доступности данных, а не на разделении всего выполнения транзакций.

Эта модель особенно важна в текущей дорожной карте масштабирования Ethereum.

Ethereum ранее обсуждал шардовые цепочки, но в его нынешней дорожной карте традиционные шардовые цепочки больше не используются как основной план масштабирования.

Вместо этого Ethereum сосредоточен на роллапах, blobs, выборке доступности данных, Proto-Danksharding, Danksharding и связанных обновлениях.

Официальная дорожная карта Ethereum Danksharding объясняет, что шардовые цепочки больше не входят в дорожную карту, а Danksharding использует распределенную выборку данных по blobs.

Шардинг и Ethereum

Ethereum — один из важнейших примеров при объяснении шардинга, поскольку его дорожная карта сформировала значительную часть отраслевых дискуссий о масштабировании.

В ранних планах Ethereum шардинг означал создание множества шардовых цепочек, которые расширили бы емкость сети.

Со временем дорожная карта изменилась, поскольку роллапы стали главным способом масштабирования выполнения транзакций.

Роллапы обрабатывают транзакции вне базового уровня Ethereum, а затем публикуют сжатые данные или доказательства обратно в Ethereum.

Это позволяет Ethereum сосредоточиться на расчетах, безопасности, консенсусе и доступности данных, в то время как системы Layer 2 берут на себя значительную часть нагрузки по выполнению.

Официальная дорожная карта масштабирования Ethereum объясняет, что роллапы отправляют данные транзакций в Ethereum, чтобы сеть могла проверять активность роллапов.

Поскольку роллапам требуется доступное пространство для данных, дорожная карта шардинга Ethereum теперь сосредоточена на данных, а не на отдельных исполняющих шардовых цепочках.

Поэтому в современных обсуждениях шардинга Ethereum часто используются такие термины, как Proto-Danksharding, Danksharding, blobs и выборка доступности данных.

Шардинг и Proto-Danksharding

Proto-Danksharding — обновление масштабирования Ethereum, внедренное через EIP-4844.

Оно добавило транзакции с blobs, позволяющие роллапам эффективнее публиковать временные данные в Ethereum.

Blob — это крупный объект данных, который можно использовать для доступности данных роллапа, не сохраняя ту же информацию постоянно в обычных calldata транзакций.

Официальная спецификация EIP-4844 описывает транзакции с blobs как новый формат транзакций, поддерживающий дорожную карту масштабирования данных Ethereum.

Proto-Danksharding был запущен в Ethereum Mainnet через обновление Dencun 13 марта 2024 года.

Официальный FAQ Ethereum Dencun объясняет, что Proto-Danksharding закладывает основу для полного Danksharding, помогая распределять данные роллапов между операторами нод.

Proto-Danksharding — не то же самое, что полный шардинг.

Это промежуточный этап, который удешевляет данные и подготавливает сеть к более масштабным улучшениям доступности данных.

Шардинг и Danksharding

Danksharding — это долгосрочная архитектура шардинга данных Ethereum.

Она отличается от традиционных шардовых цепочек, поскольку не делит Ethereum на множество отдельных цепочек выполнения.

Вместо этого Danksharding предназначен для увеличения объема данных, который Ethereum может сделать доступным для роллапов.

Это помогает роллапам публиковать больше данных с меньшими затратами, что может улучшить пользовательский опыт при работе с Layer 2.

Danksharding также зависит от выборки доступности данных, позволяющей нодам проверять небольшие случайные части данных вместо загрузки всего объема.

Это может помочь сети поддерживать больший объем данных при сохранении более управляемых требований к нодам.

Цель — масштабировать Ethereum, не делая запуск нод слишком дорогим или сложным для независимых пользователей.

Шардинг и доступность данных

Доступность данных означает, что данные, необходимые для проверки активности блокчейна, действительно доступны сети.

Это критически важная часть шардинга, поскольку разделение работы между шардами может создавать новые сложности верификации.

Если данные скрыты или недоступны, пользователи могут не суметь доказать действительность блока, шарда или пакета роллапа.

Поэтому при проектировании шардинга блокчейн не может сосредотачиваться только на скорости.

Он также должен доказывать, что данные, лежащие в основе транзакций и изменений состояния, могут быть проверены добросовестными участниками.

Официальная документация Ethereum по доступности данных объясняет, почему роллапам и легким клиентам нужны убедительные гарантии доступности данных для верификации.

Доступность данных особенно важна для роллапов, поскольку они часто выполняют транзакции вне базового уровня, но все равно полагаются на базовый уровень в вопросах безопасности.

Если данные роллапа недоступны, пользователи и независимые верификаторы могут не суметь подтвердить корректное состояние системы.

Шардинг и валидаторы

Валидаторы необходимы для большинства современных архитектур шардинга.

В блокчейне Proof of Stake валидаторы помогают предлагать блоки, аттестовать их, проверять данные и поддерживать консенсус.

Сеть с шардингом может назначать валидаторов разным шардам или обязанностям, связанным с данными.

Случайное назначение может усложнить атакующим захват контроля над одним шардом.

Ротация валидаторов также может снизить риск долгосрочного захвата, перемещая валидаторов между обязанностями с течением времени.

Система координации должна обеспечивать, чтобы валидаторы знали, за какой шард они отвечают и когда начинаются их обязанности.

Она также должна обеспечивать обнаружение и наказание недобросовестных валидаторов при нарушении ими правил протокола.

В системе Ethereum Proof of Stake документация Ethereum по Proof of Stake объясняет, как валидаторы предлагают и аттестуют блоки в рамках механизма консенсуса.

Преимущества шардинга

Главное преимущество шардинга — более высокая масштабируемость.

Разделяя работу между несколькими шардами, блокчейн может обрабатывать больше активности, чем одноцепочечная архитектура с теми же требованиями к нодам.

Шардинг также может снизить перегруженность, поскольку не всем транзакциям необходимо конкурировать за одно и то же пространство выполнения.

Меньшая перегруженность может способствовать снижению комиссий, особенно в сочетании с роллапами и эффективными системами доступности данных.

Шардинг также может улучшить пользовательский опыт, делая децентрализованные приложения более быстрыми и доступными.

Для разработчиков шардинг может создать больше возможностей для сложных приложений, которые были бы слишком дорогими в перегруженном базовом уровне.

Для валидаторов и операторов нод хороший дизайн шардинга может снизить объем данных или вычислений, требуемых от каждого участника.

Это может помочь сохранить децентрализацию, поскольку больше людей смогут запускать ноды без дорогостоящего оборудования.

Риски и сложности шардинга

Шардинг является мощным подходом, но его также сложно безопасно проектировать.

Одна из ключевых проблем — межшардовая коммуникация.

Если транзакция должна взаимодействовать с аккаунтами или контрактами в разных шардах, сеть должна координировать результат, не создавая ошибок или задержек.

Другая проблема — безопасность шардов.

Если атакующий способен контролировать достаточное число валидаторов в одном шарде, этот шард может стать уязвимым, даже если вся сеть велика.

Случайное назначение и ротация валидаторов, криптографические доказательства и экономические штрафы могут помочь снизить этот риск.

Доступность данных — еще одна важная проблема, поскольку ноды должны иметь возможность проверить, что данные шарда не были скрыты.

Шардинг также повышает сложность протокола.

Большая сложность может создавать больше возможностей для ошибок, проблем с клиентами и непредвиденного экономического поведения.

Поэтому серьезные обновления шардинга обычно требуют многих лет исследований, тестнетов, аудитов и поэтапного развертывания.

Шардинг и масштабирование Layer 2

Шардинг и масштабирование Layer 2 связаны, но не являются одним и тем же.

Шардинг меняет способ обработки рабочей нагрузки базовым блокчейном или его уровнем данных.

Масштабирование Layer 2 переносит выполнение транзакций за пределы базового уровня, продолжая использовать базовый уровень для расчетов или безопасности.

Роллапы — один из важнейших методов масштабирования Layer 2.

Они объединяют множество транзакций и отправляют результат в базовый блокчейн.

В текущей дорожной карте Ethereum шардинг поддерживает роллапы, делая доступность данных дешевле и более масштабируемой.

Это означает, что шардинг и системы Layer 2 могут работать вместе, а не конкурировать друг с другом.

Блокчейн, ориентированный на роллапы, может использовать шардинг данных, чтобы дать роллапам больше пространства для публикации информации, необходимой для верификации.

Шардинг и сайдчейны

Шардинг отличается от сайдчейнов.

Сайдчейн обычно является отдельным блокчейном, работающим рядом с основным блокчейном и имеющим собственную модель безопасности.

Шард обычно является частью одного общего протокола и рассчитан на совместное использование безопасности с остальной сетью.

Это различие важно, поскольку сайдчейн может не наследовать тот же набор валидаторов или гарантии безопасности, что и базовый блокчейн.

В хорошо спроектированной системе с шардингом шарды должны работать вместе в рамках одной координируемой структуры консенсуса.

Однако все протоколы различаются, поэтому пользователям всегда следует понимать фактическую модель безопасности перед перемещением активов или использованием приложений.

Шардинг и модульные блокчейны

Модульные блокчейны разделяют основные функции блокчейна, такие как выполнение, расчеты, консенсус и доступность данных.

Шардинг может быть частью модульной архитектуры, поскольку может быть сосредоточен на масштабировании одной конкретной функции.

Например, шардинг данных направлен на предоставление большего объема данных для верификации.

Он естественно сочетается с роллапами, которые выполняют транзакции вне базового уровня.

В модульной дорожной карте базовый уровень может предоставлять безопасность и доступность данных, тогда как отдельные среды выполнения обрабатывают пользовательские транзакции.

Такой подход может помочь блокчейнам масштабироваться, не возлагая на один уровень ответственность за каждую задачу.

Практический пример шардинга

Представьте блокчейн, который поддерживает миллионы пользователей в платежах, играх, децентрализованных финансах и токенизированных активах.

Если каждая нода должна обрабатывать каждую транзакцию каждого приложения, сеть может стать перегруженной.

С помощью шардинга сеть может разделить некоторые обязанности на меньшие секции.

Один шард может обрабатывать одну группу данных, а другой — другую группу.

Затем сеть использует правила консенсуса и системы коммуникации для согласования шардов.

Когда шардинг работает хорошо, пользователи могут не замечать технических деталей.

Они могут просто видеть более быстрые транзакции, более низкие расходы и более плавную работу приложений.

Шардинг в других архитектурах блокчейнов

Ethereum — не единственная блокчейн-экосистема, изучавшая шардинг.

Некоторые блокчейн-протоколы используют шардинг как ключевую часть своей архитектуры с самого начала.

Например, NEAR использует архитектуру шардинга Nightshade для поддержки масштабируемости.

Официальная документация NEAR описывает протокол как использующий шардинг и масштабируемый благодаря шардингу Nightshade.

Разные блокчейны с шардингом могут использовать разные названия, структуры валидаторов, правила финализации и методы межшардовой коммуникации.

Поэтому пользователям не следует считать, что слово «шардинг» везде означает одинаковую техническую архитектуру.

Распространенные заблуждения о шардинге

Шардинг не делает емкость блокчейна автоматически неограниченной.

Каждая система с шардингом по-прежнему имеет ограничения, связанные с пропускной способностью сети, производительностью валидаторов, доступностью данных, дизайном консенсуса и пользовательским спросом.

Шардинг не приводит к автоматическому исчезновению комиссий.

Комиссии все еще могут расти, когда увеличивается спрос на пространство блоков, пространство blobs или активность приложений.

Шардинг не устраняет необходимость в безопасности.

Напротив, шардинг часто требует более сильной координации, поскольку сеть разделена на меньшие рабочие области.

Шардинг также не равнозначен простому параллельному запуску множества блокчейнов.

Настоящая архитектура шардинга должна сохранять связь шардов в рамках общего протокола и модели безопасности.

Почему шардинг важен для криптоинвесторов и пользователей

Шардинг важен для пользователей, поскольку он может влиять на скорость транзакций, сетевые комиссии, качество приложений и долгосрочное внедрение блокчейна.

Сеть с сильной технологией масштабирования может быть способна поддерживать больше реальных сценариев использования.

Это может включать платежи в стейблкоинах, децентрализованные торговые инструменты, кредитные протоколы, игровые экономики, системы идентификации и токенизированные активы реального мира.

Пользователям следует понимать, что шардинг — это технический метод масштабирования, а не гарантия инвестиционных результатов.

Наличие шардинга не делает криптоактив автоматически ценным.

Инвесторам также следует учитывать безопасность, внедрение, активность разработчиков, управление, токеномику и реальный спрос.

С практической точки зрения важнее всего, повышает ли шардинг надежность и доступность сети.

Почему шардинг важен для разработчиков

Шардинг важен для разработчиков, поскольку дизайн приложений зависит от производительности сети и доступа к данным.

Блокчейн с шардингом может требовать от разработчиков тщательного рассмотрения того, где хранятся данные и как контракты взаимодействуют между шардами.

Межшардовые вызовы могут быть сложнее, чем взаимодействия со смарт-контрактами в одной цепочке.

Разработчикам приложений может потребоваться учитывать асинхронную коммуникацию, отложенные расчеты или специальные правила передачи сообщений.

В модели шардинга данных, ориентированной на роллапы, разработчики могут больше сосредоточиться на выполнении Layer 2, полагаясь на базовый уровень для доступности данных.

Это может сделать приложения дешевле и быстрее для пользователей, сохраняя связь с защищенным уровнем расчетов.

Ключевые термины, связанные с шардингом

Шард — это меньшая часть данных, состояния или рабочей нагрузки блокчейна.

Валидатор — это участник сети, который помогает защищать блокчейн Proof of Stake, предлагая, проверяя или аттестуя блоки.

Доступность данных — это гарантия того, что данные, необходимые для проверки активности блокчейна, доступны сети.

Роллап — это система Layer 2, которая обрабатывает множество транзакций и публикует данные или доказательства обратно в базовый блокчейн.

Blob — это временный объект данных, используемый в архитектуре Proto-Danksharding Ethereum для поддержки доступности данных роллапов.

Danksharding — это долгосрочная дорожная карта шардинга данных Ethereum для масштабирования емкости данных роллапов.

Межшардовая коммуникация — это процесс передачи информации или стоимости между разными шардами.

FAQ

Что означает шардинг в криптоиндустрии?

Шардинг в криптоиндустрии означает разделение рабочей нагрузки, данных или состояния блокчейна на меньшие части, чтобы сеть могла параллельно обрабатывать больше активности.

Какова главная цель шардинга?

Главная цель шардинга — повысить масштабируемость блокчейна при сохранении децентрализации и безопасности сети.

Является ли шардинг тем же, что Layer 2?

Нет. Шардинг меняет способ обработки рабочей нагрузки базовым блокчейном или уровнем данных, тогда как системы Layer 2 обрабатывают транзакции вне базового уровня и выполняют расчеты в нем.

Использует ли Ethereum шардовые цепочки?

Нет. Текущая дорожная карта Ethereum больше не сосредоточена на традиционных шардовых цепочках, а вместо этого ориентирована на роллапы, blobs, выборку доступности данных, Proto-Danksharding и Danksharding.

Что такое шардинг данных?

Шардинг данных — это метод масштабирования, увеличивающий емкость доступности данных вместо разделения всего выполнения транзакций между отдельными шардовыми цепочками.

Что такое шардинг состояния?

Шардинг состояния делит состояние блокчейна, например балансы и данные смарт-контрактов, между несколькими шардами, чтобы каждой ноде не требовалось хранить все данные.

Почему шардинг сложен?

Шардинг сложен, поскольку должен одновременно решать вопросы назначения валидаторов, межшардовой коммуникации, доступности данных, безопасности и сложности протокола.

Может ли шардинг снизить комиссию за газ?

Шардинг может помочь снизить комиссии за счет увеличения емкости, однако комиссии по-прежнему зависят от спроса, дизайна сети, рынков данных и активности приложений.

Безопасен ли шардинг?

Шардинг может быть безопасным при использовании сильного консенсуса, случайного назначения валидаторов, проверок доступности данных и надежной межшардовой коммуникации.

Почему шардинг важен для роллапов?

Шардинг важен для роллапов, поскольку шардинг данных может сделать публикацию данных, необходимых для верификации, дешевле и проще.

Заключение

Шардинг — одна из важнейших концепций масштабирования в криптовалюте, поскольку он делит работу блокчейна на меньшие части, которые можно обрабатывать эффективнее.

Базовая идея проста, но техническая архитектура сложна, поскольку публичные блокчейны должны защищать безопасность, децентрализацию и проверяемость.

Традиционный шардинг может включать распределение сетевой активности, транзакций или состояния между несколькими шардами.

Современный шардинг данных больше сосредоточен на расширении доступности данных для роллапов и модульных блокчейн-систем.

Дорожная карта Ethereum показывает, как значение шардинга развивалось от шардовых цепочек к Proto-Danksharding, Danksharding, blobs и выборке доступности данных.

Для пользователей шардинг при правильной реализации может привести к более быстрым транзакциям, более низким затратам и лучшей производительности приложений.

Для разработчиков шардинг создает новые варианты проектирования, связанные с данными, выполнением, межшардовой коммуникацией и интеграцией Layer 2.

Для криптоиндустрии в целом шардинг остается ключевым путем к блокчейнам, способным поддерживать массовое внедрение без отказа от открытых и децентрализованных принципов, которые делают криптовалюту ценной.